專利名稱：半導(dǎo)體器件以及半導(dǎo)體器件制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件以及半導(dǎo)體器件制造方法。
背景技術(shù)：
通過在諸如藍(lán)寶石基板的生長基板上形成包括n_層、有源層、p-層的半導(dǎo)體層或 分層結(jié)構(gòu)、并且在生長基板和半導(dǎo)體層的表面上形成電極，來制造發(fā)光二極管和其它半導(dǎo) 體發(fā)光器件。利用反應(yīng)離子刻蝕或其它技術(shù)刻蝕掉半導(dǎo)體層的一部分，以露出n-層并且在 n-層和p-層上分別形成電極。 通過最近的技術(shù)進(jìn)步，半導(dǎo)體發(fā)光器件越來越高效并具有更高的輸出。然而，半導(dǎo) 體發(fā)光器件中產(chǎn)生的熱量也與更高的輸出一起增加，這造成諸如半導(dǎo)體發(fā)光器件的發(fā)光效 率下降以及例如由于半導(dǎo)體層的劣化而可靠性降低的問題。為了解決這些問題，使用了這 樣的配置，其中，去除具有相對較低的導(dǎo)熱率的生長基板，作為替代，由具有相對較高的導(dǎo) 熱率的金屬來支承半導(dǎo)體膜或分層結(jié)構(gòu)。通過采用該結(jié)構(gòu)，提高了半導(dǎo)體發(fā)光器件的散熱 性，并且，有望通過去除生長基板而提高發(fā)光效率，尤其是光引出效率。換句話說，能夠減少 當(dāng)光穿過生長基板時發(fā)生的光吸收，并且能夠減少由于折射率差異而在半導(dǎo)體膜和生長基 板之間的界面發(fā)生的全反射光。利用激光剝離(laser lift off) (LL0)方法來去除生長基 板是慣用手段。 日本特開2000-228539號公報(在下文中稱為專利文獻(xiàn)1)公開了一種發(fā)光器件 的制造處理，其中隔著非晶態(tài)氮化合物半導(dǎo)體層在生長基板上形成半導(dǎo)體外延層。專利文 獻(xiàn)1公開一種處理，其中，當(dāng)通過氣相淀積來生長非晶態(tài)氮化合物半導(dǎo)體層時，將生長溫度 設(shè)定為60(TC或更低，并且將III族元素相對于V族元素的提供比設(shè)定為1000或更低，以由 此在非晶態(tài)氮化合物半導(dǎo)體層內(nèi)形成空洞，生長基板在一些情況下從半導(dǎo)體外延層自然地 分離。

發(fā)明內(nèi)容
當(dāng)利用LL0方法來分離或去除生長基板時，氮化物半導(dǎo)體通過吸收激光而分解并 且產(chǎn)生K氣體，存在氣體壓力在半導(dǎo)體外延層中導(dǎo)致裂縫的情況。因?yàn)橐虼吮仨毷褂冒嘿F 的專用設(shè)備，所以LLO方法的實(shí)施導(dǎo)致較高的成本。此外，利用LLO方法在單個處理中很難 處理多個晶片，而且處理要求在整個晶片表面上進(jìn)行激光掃描。因此，需要相對較長的處理 時間。隨著晶片的直徑增加，處理時間進(jìn)一步延長。因此，當(dāng)能夠利用更簡單的方法而不是 LL0方法來使得生長基板分離時，認(rèn)為在質(zhì)量、成本、和產(chǎn)量改進(jìn)方面存在很多優(yōu)點(diǎn)。
下面描述與生長基板的分離或去除相關(guān)的必要事項(xiàng)。首先，在分離生長基板之后， 半導(dǎo)體外延層的膜必須質(zhì)量很好。換句話說，當(dāng)分離生長基板時，半導(dǎo)體外延層中必須不產(chǎn) 生裂縫或其它缺陷，并且在半導(dǎo)體外延層中必須幾乎不存在貫通錯位或其它晶體缺陷。第 二，必須不自然分離生長基板。具體地說，因?yàn)榘雽?dǎo)體外延層的厚度很小，所以當(dāng)在晶片加 工期間或者在中間步驟中自然地分離生長基板時，后處理變得困難。例如，當(dāng)在半導(dǎo)體層的
5外延生長步驟中由于熱沖擊等原因而使得生長基板分離時，電極形成和與支承基板的接合 變得非常困難。因此，必須確保足以防止生長基板從半導(dǎo)體外延層分離的接合強(qiáng)度，并且在 生長基板分離或去除步驟中能夠容易地分離；即，必須確保能夠控制生長基板的分離。
本發(fā)明是考慮到上述情況而設(shè)計的，本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體器件的制造 方法，其中可以利用更簡單的方法而不依賴LL0方法來分離生長基板。 根據(jù)本發(fā)明，提供一種半導(dǎo)體器件制造方法，該制造方法包括以下步驟在生長基 板上形成由III族氮化物系化合物半導(dǎo)體構(gòu)成并且其中散布有空腔和柱狀結(jié)構(gòu)的空腔包 含層；在所述空腔包含層上形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體外延層；在所述III族氮化 物系化合物半導(dǎo)體外延層上接合支承基板；并且，以所述空腔包含層和所述生長基板之間 的界面用作分離邊界，從所述空腔包含層將所述生長基板與所述III族氮化物系化合物半 導(dǎo)體外延層分離。 形成所述空腔包含層的步驟包括在所述生長基板上形成包括III族氮化物并且 表面具有柱狀結(jié)構(gòu)的基層或底層的步驟；以及以交替方式重復(fù)進(jìn)行在所述基層上以彼此不 同的生長速率生長III族氮化物的第一生長步驟和第二生長步驟的多個循環(huán)的步驟。
所述第一生長步驟包括如下的處理在比所述基層的生長溫度更高的生長溫度， 以其各自的預(yù)定流速提供V族材料和III族材料，以主要在縱向方向生長所述III族氮化 物；所述第二生長步驟包括如下的處理在比所述基層的生長溫度更高的生長溫度，以比 所述第一步驟中的流速更大的流速提供V族材料和III族材料，以主要在橫向方向生長所 述III族氮化物。 Sl/S2的值優(yōu)選地是0. 5或更大，其中SI是形成所述基層的步驟中的V族材料和 III族材料的提供比(V/III比)，S2是形成所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體外延層的步 驟中的V族材料和III族材料的提供比(V/III比)。優(yōu)選的是，在如下的條件下執(zhí)行形成 所述基層的步驟其中，在比所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體外延層的生長溫度低的溫 度，按使得V/III比是3000或更大的方式提供V族材料和III族材料。
本發(fā)明的分層結(jié)構(gòu)制造方法包括如下的步驟在生長基板上形成由III族氮化物 系化合物半導(dǎo)體層構(gòu)成的空腔包含層，所述空腔包含層包括散布在該空腔包含層中的空腔 和柱狀結(jié)構(gòu)。 形成所述空腔包含層的步驟包括以下步驟按使得V/III比是3000或更大的方式 提供V族材料和III族材料，并且在所述生長基板上形成由III族氮化物構(gòu)成的基層；并且 以交替方式重復(fù)進(jìn)行在所述基層上以彼此不同的生長速率生長III族氮化物的第一生長 步驟和第二生長步驟的多個循環(huán)。 所述第一生長步驟包括如下的處理在比所述基層的生長溫度高的生長溫度，以 其各自的預(yù)定流速來提供V族材料和III族材料，并且主要在縱向方向生長所述III族氮 化物；所述第二生長步驟包括如下的處理在比所述基層的生長溫度更高的生長溫度，以 比所述第一生長步驟中的流速更大的流速提供V族材料和III族材料，并且主要在橫向方 向生長所述III族氮化物。 本發(fā)明的半導(dǎo)體晶片包括生長基板；由形成在所述生長基板上的III族氮化物 系化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的空腔包含層，所述空腔包含層包括在散布該空腔包含層中的空腔和 柱狀結(jié)構(gòu)；以及形成在所述空腔包含層上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體外延層。
6
所述柱狀結(jié)構(gòu)的寬度優(yōu)選為lym或更大并且為18iim或更小。另夕卜，LXL的值 優(yōu)選為0. 6到2. 5，其中1\是所述空腔包含層的以微米為單位的厚度，L是所述III族氮化 物系化合物半導(dǎo)體外延層的以微米為單位的厚度。 本發(fā)明的分層結(jié)構(gòu)具有生長基板；以及空腔包含層，所述空腔包含層由III族氮 化物系化合物半導(dǎo)體構(gòu)成，并且包括散布在該層中的空腔和柱狀結(jié)構(gòu)，所述空腔包含層布 置在所述生長基板上。所述柱狀結(jié)構(gòu)的寬度優(yōu)選為lPm或更大并且為18iim或更小。
另外，本發(fā)明的分層結(jié)構(gòu)包括生長基板、以及層疊在所述生長基板上的III族氮 化物層，其中，所述III族氮化物層包括具有多個內(nèi)部空腔的層，所述多個內(nèi)部空腔是通過 如下處理而形成的按使得V/III比是3000或更大的方式提供V族材料和III族材料，在 所述生長基板上形成具有III族氮化物的基層，隨后以交替方式執(zhí)行在所述基層上以彼此 不同的生長速率生長III族氮化物的第一步驟和第二步驟的多個循環(huán)。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法，可以獲得使得在生長基板和半導(dǎo)體外延層之 間不出現(xiàn)生長基板的自然去除或分離的足夠高的接合強(qiáng)度。在另一方面，在生長基板去除 步驟中不利用LL0就可以去除生長基板。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造步驟的流程圖； 圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光二極管在生長基板分離之前的階
段的結(jié)構(gòu)的剖面圖； 圖3是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的單個柱狀結(jié)構(gòu)的大小(寬度)和柱狀結(jié)構(gòu)的面 內(nèi)占有率之間的關(guān)系的圖； 圖4是示出與空腔包含層的厚度和半導(dǎo)體外延層的厚度相關(guān)的可以執(zhí)行生長基 板的適當(dāng)分離的范圍的圖； 圖5A到51是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造步驟中的每一個處理 步驟的剖面圖； 圖6是通過分離生長基板而露出的半導(dǎo)體外延層的表面的熒光顯微照片；
圖7A是在生長基板分離步驟中分離的藍(lán)寶石基板的分離表面的SEM像；以及
圖7B是半導(dǎo)體外延層的分離表面的SEM像。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方式。在以下的附圖中，對于本質(zhì)相同或等效 的構(gòu)成元素和部件使用相同的附圖標(biāo)記。本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，以下描述半導(dǎo)體發(fā)光器 件作為示例。圖l是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造步驟的流程圖。圖2 是示出半導(dǎo)體發(fā)光二極管在生長基板分離之前的階段的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法包括在生長基板10上形成由III族氮 化物構(gòu)成的具有多個內(nèi)部空腔的空腔包含層20的空腔包含層形成步驟(步驟S1);在空腔 包含層上形成包括由III族氮化物構(gòu)成的發(fā)光層等的半導(dǎo)體外延層(即器件功能層或分層 結(jié)構(gòu))30的半導(dǎo)體外延層形成步驟(步驟S2);在半導(dǎo)體外延層30上接合支承基板60的支 承基板接合步驟(步驟S3);從半導(dǎo)體外延層30分離生長基板10的生長基板分離步驟或去除步驟(步驟S4)，其中空腔包含層20和生長基板10之間的界面用作分離邊界；對通過 分離生長基板10而露出的半導(dǎo)體外延層30的表面進(jìn)行平坦化的表面處理步驟(步驟S5); 在經(jīng)過表面處理的半導(dǎo)體外延層30上形成電極50的電極形成步驟(步驟S6);以及將具 有支承基板的半導(dǎo)體外延層30分離為單個半導(dǎo)體芯片或模片(die)的芯片分離步驟(步 驟S7)。 空腔包含層20由與半導(dǎo)體外延層30同一晶體系統(tǒng)的III族氮化物構(gòu)成，并且布 置在生長基板10和半導(dǎo)體外延層30之間。空腔包含層20具有多孔結(jié)構(gòu)，其中多個空腔 (或空隙)21大致均勻地分布在沿空腔包含層延伸的平面內(nèi)。多個空腔21形成在空腔包含 層20中，由此在相鄰的空腔之間形成多個柱狀結(jié)構(gòu)22。柱狀結(jié)構(gòu)22構(gòu)成生長基板10和 半導(dǎo)體外延層30之間的連接部。單個柱狀結(jié)構(gòu)22的大小(寬度)是大約幾個微米，柱狀 結(jié)構(gòu)大致均勻地分布在空腔包含層20延伸的平面內(nèi)。通過在生長基板10和半導(dǎo)體外延層 30之間布置具有該結(jié)構(gòu)的空腔包含層20，確保了足以防止生長基板10被自然分離或去除 的接合強(qiáng)度，并且，在生長基板去除步驟(步驟S4)中，通過僅僅施加很小的外力而不利用 LLO技術(shù)，就可以將生長基板從空腔包含層20分離，其中空腔包含層20和生長基板10之間 的界面用作分離邊界面。 當(dāng)空腔包含層20內(nèi)形成的空腔21和與之相伴的柱狀結(jié)構(gòu)不是均勻分布時，或者 當(dāng)空腔21和柱狀結(jié)構(gòu)22的大小不合適時，生長基板10在不期望的時間自然地分離，或者 不能實(shí)現(xiàn)生長基板10和空腔包含層20之間的分離，處理產(chǎn)量可能急劇降低。因此，在空腔 包含層形成步驟(步驟S 1)中，使得空腔21和柱狀結(jié)構(gòu)22大致均勻地分布在平面中，并 且，確保柱狀結(jié)構(gòu)22和空腔21中的每一個的大小都適于生長基板的分離是很重要的。
圖3是示出在空腔包含層20中形成的單個柱狀結(jié)構(gòu)22的大小(寬度)和全部柱 狀結(jié)構(gòu)22的面內(nèi)占有率的圖。圖3中的虛線示出生長基板10能夠從空腔包含層20適當(dāng)分 離或去除的范圍，其中空腔包含層20和生長基板10之間的界面用作分離或去除邊界。柱 狀結(jié)構(gòu)22大致均勻地分布在空腔包含層20延伸的平面內(nèi)，面內(nèi)占據(jù)率隨著柱狀結(jié)構(gòu)的大 小(寬度)的增加而增加。換句話說，當(dāng)柱狀結(jié)構(gòu)22的大小增加時，生長基板10和空腔包 含層20之間的連接部的表面面積增加，因而接合強(qiáng)度增加。因此，當(dāng)柱狀結(jié)構(gòu)22的大小過 大時，很難將生長基板10從空腔包含層20分離。 空腔包含層20的厚度必須根據(jù)半導(dǎo)體外延層30的厚度來確定，以實(shí)現(xiàn)生長基板 10和空腔包含層20之間的理想分離。具體地說，當(dāng)半導(dǎo)體外延層30的厚度很大時，膜中 產(chǎn)生的應(yīng)力增加，當(dāng)空腔包含層20不具有足以承受該應(yīng)力的機(jī)械強(qiáng)度時，生長基板10自然 地分離。在另一方面，當(dāng)空腔包含層20的機(jī)械強(qiáng)度相對于壓力過大時，生長基板10不能分 離。隨著空腔包含層20的厚度增加，空腔包含層20的機(jī)械強(qiáng)度減小，生長基板10容易被 分離或去除。因此，空腔包含層20的厚度必須根據(jù)要層疊的半導(dǎo)體外延層30的厚度來設(shè) 置。 圖4是制造出的示例的測量值的圖，其中橫軸代表空腔包含層20的厚度，縱軸代 表半導(dǎo)體外延層30的厚度。圖中三角形標(biāo)記示出生長基板10不能分離的情況。圖中的方 形標(biāo)記示出生長基板10能夠從空腔包含層20適當(dāng)?shù)胤蛛x或去除的情況，其中生長基板10 和空腔包含層20之間的界面用作分離或去除邊界面。圖中的圓形標(biāo)記代表在生長基板分 離步驟之前出現(xiàn)自然或非期望的分離的情況。圖中兩個虛線之間的區(qū)域由數(shù)據(jù)來設(shè)定，是其中生長基板10能夠從空腔包含層20適當(dāng)分離的區(qū)域。換句話說，該區(qū)域右側(cè)的部分是 其中生長基板10自然分離的區(qū)域，該區(qū)域的左側(cè)的部分是其中不能分離或去除的區(qū)域。
具體地說，其中生長基板能夠從空腔包含層適當(dāng)分離的區(qū)域是圖3中的虛線包圍 的范圍。在該范圍內(nèi)，單個柱狀結(jié)構(gòu)的大小(寬度)在lym至lj 18iim范圍內(nèi)，！^XT2的值 大約在0. 6到2. 5的范圍內(nèi)，其中以ii m為單位的1\是空腔包含層20的厚度，以y m為單 位的T2是半導(dǎo)體外延層30的厚度。通過滿足這些條件，生長基板10能夠從空腔包含層20 適當(dāng)分離而不出現(xiàn)自然分離。 接著，將參照圖5A到51描述本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造方法。圖5A到51 是本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造步驟中的每一個處理步驟的剖面圖。
[步驟Sl :空腔包含層形成步驟] 空腔包含層形成步驟包括以下這些步驟通過氣相生長來生長具有高V/III的低 溫緩沖層，從而在生長基板10上形成GaN基層20"以及通過以交替方式重復(fù)進(jìn)行在縱向生 長促進(jìn)條件或模式下生長GaN的處理(即第一步驟)和在橫向生長促進(jìn)條件或模式下生長 GaN的處理(即第二步驟)的多個循環(huán)，從而完成空腔包含層20。 V/III比是通過將V族元 素的摩爾數(shù)除以III族元素的摩爾數(shù)而獲得的值，其中V族元素包括在當(dāng)通過氣相生長來 生長III族氮化物半導(dǎo)體層時提供的材料氣體中，V/III比代表V族元素和III族元素的 提供比。在下文詳細(xì)描述形成空腔包含層20的步驟。 首先，制備生長基板10。在本實(shí)施方式中，將其上可以通過金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀 積(MOCVD)來形成GaN系半導(dǎo)體外延層的c平面藍(lán)寶石基板用作生長基板10。
在生長基板10上形成由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的低結(jié)晶度基層20a。具體地說，將生長 基板10傳送到MOCVD裝置中，將基板溫度(生長溫度)設(shè)定為525t:，在氮?dú)?流速13. 5 升(litter)/分鐘)和氫氣(流速7升/分鐘)的混合氣體環(huán)境中提供三甲基鎵(TMG) (流速11 P mo1/分鐘)以及氨(NH3)(流速3. 3升/分鐘)(在此情況下，V/III比是約 14000)，將具有低結(jié)晶度的GaN基層20a形成為約200nm的厚度(圖5A)。在形成了基層 20a之后，停止提供TMG，將基板溫度增加到IOO(TC 。 基層20a具有突起/凹陷表面，其用作空腔包含層20中的柱狀結(jié)構(gòu)22和空腔21 的原型?；鶎?0a用作緩解生長基板10和GaN系半導(dǎo)體外延層30之間的晶格失配的緩沖 層，還形成用于形成柱狀結(jié)構(gòu)22和空腔21的基底。因此，在生長基板10上形成基層20a， 基層20a具有突起/凹陷表面，其中通過在相對較低溫度并按高V/ni比(3000或更大)生 長GaN膜，在平面內(nèi)大致校準(zhǔn)突起和凹陷的深度和間距。因?yàn)橛捎诟遃/111比而在富氨狀 態(tài)下促進(jìn)Ga遷移并且GaN膜在生長基板10上均勻生長，因此認(rèn)為這是會發(fā)生的。由此可 以在空腔包含層20中均勻地形成空腔21和柱狀結(jié)構(gòu)22，并且可以形成構(gòu)成生長基板10和 半導(dǎo)體外延層30之間的連接部的微米大小的柱狀結(jié)構(gòu)22。 當(dāng)在V/111比相對較低(例如小于3000)時進(jìn)行生長時，基層20a形成離散的島 形結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)槿缦率聦?shí)當(dāng)V/ni比較低時，不促進(jìn)遷移，GaN膜受到材料氣體的影響， 由此在促進(jìn)生長的區(qū)域和禁止生長的區(qū)域中產(chǎn)生顯著差異。在此情況下，空腔21和柱狀結(jié) 構(gòu)22的面內(nèi)分布變得不均與，生長基板10自然分離，或者難以實(shí)現(xiàn)生長基板10從空腔包 含層20的適當(dāng)分離。 可以在425。C到625。C的范圍內(nèi)調(diào)整生長溫度?？梢栽? y mo1/分鐘到23 y mo1/
9分鐘的范圍內(nèi)、或者更優(yōu)選地在9 ii mo 1 /分鐘到15 ii mo 1 /分鐘的范圍內(nèi)調(diào)整TMG流速，可 以在0. 5升/分鐘到5. 5升/分鐘范圍內(nèi)調(diào)整NH3流速。在此情況下，V/ni比必須保持在 3000到25000的范圍，或更優(yōu)選地在9000到25000的范圍。優(yōu)選地，在Sl/S2的值是0. 5 到10、或更優(yōu)選地是l到5的條件下生長層，其中Sl是基層形成步驟中的V/ni比，S2是 隨后描述的半導(dǎo)體外延層形成步驟中的V/III比?？梢栽?nm/分鐘到45nm/分鐘的范圍 內(nèi)、更優(yōu)選地在10nm/分鐘到23nm/分鐘的范圍內(nèi)調(diào)整基層的生長速率。
接著，在保持基板溫度為IOO(TC的同時，在氮?dú)?6升/分鐘)和氫氣(13升/分 鐘)混合氣體環(huán)境中，通過以交替方式進(jìn)行在主要促進(jìn)縱向生長的條件下生長膜的處理 (稱為第一步驟)和在主要促進(jìn)橫向生長的條件下生長膜的處理(稱為第二步驟)的4個 循環(huán)，從而完成厚度約400nm的空腔包含層20。 在第一步驟中，以23 mol/分鐘的流速提供TMG，以2. 2升/分鐘的流速提供NH3， 以在基層20a上形成具有約20nm厚度的第一GaN層2(V。在第一步驟中，GaN膜主要在其 中GaN膜的構(gòu)成元素的分解和脫離較不易發(fā)生的區(qū)域上縱向生長。結(jié)果，在基層20a的表 面上形成的突起和凹陷變得更明顯(圖5B)。 在第二步驟中，以45 mol/分鐘的流速提供TMG，以4. 4升/分鐘的流速提供NH3， 形成具有約80nm厚度的第二GaN層20b2。在第二步驟中GaN膜從第一步驟中主要縱向生長 的第一GaN膜2(^的頂部橫向地生長(圖5C)。第一步驟和第二步驟以交替方式各自重復(fù) 4次，由此彼此相鄰的核跨過用作空腔21的原型的GaN膜的凹陷部分而聯(lián)合在一起，形成包 括空腔21和柱狀結(jié)構(gòu)22的空腔包含層20。因?yàn)檫M(jìn)行多次的橫向生長，由此對空腔包含層 20的表面進(jìn)行平坦化，并且在生長基板和GaN膜之間的邊界中產(chǎn)生的晶體缺陷偏轉(zhuǎn)而不傳 播到上部，所以半導(dǎo)體外延層30的缺陷密度降低。認(rèn)為生長方向的差異是由于構(gòu)成GaN膜 的Ga原子和N原子的吸附和分解/脫離之間的平衡的差異而引起的，因?yàn)門MG和NH3的流 速在第一步驟和第二步驟中不同，并且GaN的生長速率彼此不同。具體地說，第一步驟中的 GaN膜的生長速率是23nm/分鐘，第二步驟中GaN膜的生長速率是45nm/分鐘。
在重復(fù)進(jìn)行第一步驟和第二步驟的處理中發(fā)生例如以下反應(yīng)。在表面上重復(fù)吸附 和分解/脫離所提供的Ga原子和N原子的同時，生長構(gòu)成空腔包含層20的GaN膜。在第 二步驟中隨著橫向生長的進(jìn)行而形成空腔21的原型。此時，空腔21的上部的開口的寬度 逐漸減小，NH3和TMG變得難以進(jìn)入空腔21。接著，GaN膜難以在空腔21中生長。在另一方 面，在空腔21中的具有弱結(jié)晶度的區(qū)域中進(jìn)行分解/脫離，氣態(tài)氮從空腔21的內(nèi)部逃逸。 空腔21的大小由此逐漸增大，與此相關(guān)的是，柱狀結(jié)構(gòu)的大小(寬度)減小。由于氮脫離 而產(chǎn)生的金屬Ga 23不能從空腔21的開口部分逃逸，因此保留附著在空腔21的內(nèi)壁和生 長基板10上。圖6是去除生長基板之后露出的半導(dǎo)體外延層30的表面的熒光顯微照片。 在照片中可以看出，由于氮脫離而產(chǎn)生的金屬Ga(照片中的黑暗部分)附著在GaN膜上。
由此，在生長基板10上按高V/III形成具有低結(jié)晶度的基層20y之后以交替方 式進(jìn)行重復(fù)縱向生長和橫向生長的處理，由此形成由生長基板10和空腔包含層20構(gòu)成的 分層結(jié)構(gòu)，在空腔包含層20中多個空腔21和具有10 ii m或更小的寬度的柱狀結(jié)構(gòu)22均勻 分布。該分層結(jié)構(gòu)可以用作具有分離功能或能力的生長基板，其中生長基板io具備分離功 能。 第一步驟和第二步驟中GaN膜的生長溫度可以在80(TC到1200°C的范圍內(nèi)調(diào)整。在第一步驟中，可以在10 ii mol/分鐘到30 ii mol/分鐘的范圍內(nèi)調(diào)整TMG流速，可以在1升/ 分鐘到3升/分鐘的范圍內(nèi)調(diào)整NH3流速。在第二步驟中，可以在30 ii mol/分鐘到70 y mol/ 分鐘的范圍內(nèi)調(diào)整TMG流速，可以在3升/分鐘到7升/分鐘范圍內(nèi)調(diào)整NH3流速。當(dāng)形成 空腔包含層20b時，可以添加最大為5X10"(在下文記為5E17)原子/cm3的Si作為摻雜 劑?？涨话瑢?0的厚度可以在200nm到1000nm的范圍內(nèi)調(diào)整。在此情況下，根據(jù)將要 形成的空腔的大小等，第一 GaN層20bl可以在10nm到60nm的范圍內(nèi)調(diào)整，第二 GaN層20b2 可以在30nm到140nm的范圍內(nèi)調(diào)整。
[步驟S2 :半導(dǎo)體外延層形成步驟] 接著，利用MOCVD在空腔包含層20上形成包括各自由GaN系半導(dǎo)體構(gòu)成的n_層 31、發(fā)光層32、以及p-層33的半導(dǎo)體外延層30 (圖5D)。 具體地說，將基板溫度設(shè)定為IOO(TC，提供TMG(流速45 y mol/分鐘)、NH3 (流 速4. 4升/分鐘)、以及作為摻雜劑氣體的SiH4，形成摻雜有5E18原子/cm3的Si的、厚度 為3iim至lj lOiim的n-層31。可以在lOymol/分鐘到70iimo1/分鐘的范圍內(nèi)調(diào)整TMG 的流速。可以在3.3升/分鐘到5.5升/分鐘的范圍內(nèi)調(diào)整朋3的流速。可以在2000到 22500的范圍內(nèi)、或者更優(yōu)選地在3000到8000的范圍內(nèi)設(shè)定V/ni比?？梢栽贠. 5iim/h 到5iim/h的范圍內(nèi)設(shè)定生長速率。 接著，將基板溫度設(shè)定為76(TC，提供TMG(流速3. 6 y mo1/分鐘)、三甲基銦 (TMI ;流速3. 6 ii mo1/分鐘)、以及NH3(流速4. 4升/分鐘)，形成30對GaN/InyGaN(均 為2nm)，由此形成歪曲(strain)緩解層(未示出)?？梢栽? y mo1/分鐘到10 y mo1/分 鐘的范圍內(nèi)調(diào)整TMG和TMI的流速。在此情況下，必須同時調(diào)整TMG和TMI的流速，使得In 構(gòu)成為大約20%?？梢栽?.3升/分鐘到5.5升/分鐘的范圍內(nèi)調(diào)整朋3的流速?？梢孕?成In,GaN來代替GaN。在此情況下，必須調(diào)節(jié)流速以滿足x < y?？梢酝ㄟ^調(diào)整GaN/InyGaN 的對數(shù)和各層厚度而在50nm到300nm的范圍內(nèi)調(diào)整歪曲緩解層的厚度。歪曲緩解層可以 摻雜有最多5E17原子/cm3的Si。 接著，將基板溫度設(shè)定為730 °C ，提供TMG (流速3. 6 ii mol/分鐘)、TMI (流 速10 ii mol/分鐘)、以及NH3 (流速4. 4升/分鐘)，形成5對GaN勢壘層/InyGaN阱層 (14nm/2nm)，由此形成具有多個量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層32?？梢栽? y mol/分鐘到10 y mol/ 分鐘的范圍內(nèi)調(diào)整TMG和TMI的流速。在此情況下，必須同時調(diào)整TMG和TMI的流速，使得 指示In組成比的y的值是35%?？梢栽?. 3升/分鐘到5. 5升/分鐘的范圍內(nèi)調(diào)整NH3 的流速。發(fā)光層32可以摻雜有最多5E17原子/cm3的Si。 接著，將基板溫度設(shè)定為870°C，提供TMG(流速8. 1 y mol/分鐘)、三甲基 鋁(TMA ;流速7. 6iimo1/分鐘)、NH3(流速4. 4升/分鐘)、以及作為摻雜劑氣體的 CP2Mg( 二 -環(huán)戊二烯基鎂)，由此形成厚度約40nm并且摻雜有1E20原子/cm3的Mg的 p-AlGaN層(未示出)?？梢栽?iimol/分鐘到20iimol/分鐘的范圍內(nèi)調(diào)整TMG的流速。 在此情況下，必須同時調(diào)整TMG和TMA的流速，使得Al構(gòu)成是約20% ?？梢栽?. 3升/分 鐘到5. 5升/分鐘的范圍內(nèi)調(diào)整NH3的流速?？梢栽?0nm到60nm的范圍內(nèi)調(diào)整p-AlGaN 層的厚度。 接著，將基板溫度設(shè)定為870°C ，提供TMG (流速18 y mol/分鐘)、NH3 (流速4. 4 升/分鐘)、以及作為摻雜劑氣體的CP2Mg ( 二 -環(huán)戊二烯基鎂)，由此形成厚度約2Q0nm并且摻雜有1E20原子/cm3的Mg的p-層33?？梢栽? y mol/分鐘到36 y mol/分鐘的范圍 內(nèi)調(diào)整TMG的流速?？梢栽?. 3升/分鐘到5. 5升/分鐘的范圍內(nèi)調(diào)整NH3的流速?？梢?在lOOnm到300nm的的范圍內(nèi)調(diào)整p_層33的厚度。 隨后在約90(TC的氮?dú)猸h(huán)境中通過約1分鐘的熱處理使p-層33活性化。
[步驟S3 :支承基板接合步驟] 接著，在p-層33上順序地淀積Pt(10埃)和Ag(300埃)以形成電極層40。 Pt層確 保P-層33和電極層40之間的歐姆接觸，Ag層保證高反射率。接著，順序地淀積Ti (1 OOO人 )、Pt(2000A)、以及Au(2000A)以形成接合層41。接合層41構(gòu)成到以下描述的支承基 板60的接合部分(圖5E)。 接著，制備用于代替生長基板IO來支承半導(dǎo)體外延層30的支承基板60。例如，可 以使用Si單晶基板作為支承基板60。通過在支承基板60上順序地淀積Pt、 Ti、 Ni、 Au和 AuSn等而形成接合層61。接著，使半導(dǎo)體外延層30上形成的接合層61和接合層41彼此 緊密接觸，通過真空或A環(huán)境中的熱壓接合而將支承基板60貼附(圖5F)到半導(dǎo)體外延 層30的p-層33側(cè)?？梢酝ㄟ^在半導(dǎo)體外延層41上鍍敷并生長Cu或其它金屬膜來形成 支承基板60。[步驟S4 :生長基板去除步驟] 接著，從半導(dǎo)體外延層30分離或去除生長基板10。生長基板10通過均勻分布在 空腔包含層20中并且具有約幾個微米寬度的柱狀結(jié)構(gòu)22而接合到半導(dǎo)體外延層30。因 此，通過從外部向連接部施加微小的力就可以容易地從空腔包含層20分離生長基板10。因 此，不利用LLO就可以分離生長基板10。例如，可以通過向生長基板10施加輕微沖擊而分 離生長基板IO。還可以通過利用超聲波等向晶片施加振動而分離生長基板IO。另外，可以 通過讓流體穿過空腔包含層20中的空腔21并對流體進(jìn)行加熱以由此產(chǎn)生蒸汽壓力來分離 生長基板IO。也可以通過將晶片浸入酸或堿溶液、并讓刻蝕劑穿過空腔21的內(nèi)部以由此刻 蝕掉柱狀結(jié)構(gòu)22，從而分離生長基板10。還可以以輔助方式利用LLO來分離生長基板10。 在此情況下，可以施加比通常使用的能量密度低的能量密度的激光輻射，減少對器件的損 傷(圖5G)。當(dāng)完成了支承基板接合步驟(步驟S3)時，如果由于來自支承基板60的應(yīng)力 等而導(dǎo)致生長基板IO自然分離，這不是實(shí)質(zhì)性問題。因此，在進(jìn)行支承基板接合步驟之后， 通過調(diào)節(jié)空腔包含層20的機(jī)械強(qiáng)度從而使得由于來自支承基板60的應(yīng)力導(dǎo)致分離或去除 自然發(fā)生，本步驟可以省略。
[步驟S5 :表面處理步驟] 接著，通過利用鹽酸處理在分離生長基板10之后露出的表面以露出n-層31的表 面，來去除空腔包含層20和在空腔包含層20上附著的金屬Ga 23(圖5H)。在生長基板分 離步驟中將晶片浸入酸或堿溶液以使得刻蝕劑穿過空腔21的內(nèi)部的情況下，可以在那時 去除金屬Ga 23，但是當(dāng)金屬Ga沒有完全去除時，在本階段可以再次去除金屬Ga?？涛g劑 不限于鹽酸，可以是可以刻蝕掉GaN膜的任何刻蝕劑?？梢允褂玫目涛g劑的示例包括磷酸、 硫酸、KOH、 NaOH。當(dāng)將KOH等用作刻蝕劑時，在n-層31上形成從GaN晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)出的多 個六角錐形突起(所謂的微錐)，這有助于改進(jìn)光引出效率。另外，表面處理不限于濕法刻 蝕，可以通過利用Ar等離子體或氯化物系等離子體的干法刻蝕來進(jìn)行。
[步驟S6 :電極形成步驟]
接著，通過真空淀積方法等在經(jīng)表面處理的n_層31的表面上按順序淀積Ti和 Al，通過在最頂層表面上進(jìn)一步淀積Ti/Au來形成n電極70(圖51)以提高接合特性。除 了 Ti/Al之外，還可以使用Al/Rh、 Al/Ir、 Al/Pt、 Al/Pd等作為電極材料。 [OO67][第七步驟芯片分離步驟] 接著，將具有支承基板并且其上已形成有n_電極70的半導(dǎo)體外延層30分離為單 個芯片或模片。此步驟是通過首先利用光刻膠來形成被設(shè)計為提供在半導(dǎo)體外延層30的 表面上的每個芯片之間的凹槽的圖案來進(jìn)行的。隨后，利用反應(yīng)離子刻蝕從半導(dǎo)體外延層 30的表面起形成凹槽至到達(dá)電極層40的深度。之后通過切割將支承基板60分離為芯片。 還可以使用激光劃片或其它技術(shù)。通過上述步驟完成半導(dǎo)體發(fā)光器件。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的制造方法，按均勻分布的方式 在空腔包含層20中形成多個空腔21和微米級(18 m或更小)的柱狀結(jié)構(gòu)22。柱狀結(jié)構(gòu) 22構(gòu)成生長基板10和半導(dǎo)體外延層30之間的連接部。圖7A是在生長基板分離步驟中去 除的藍(lán)寶石基板的分離或去除表面的SEM像，圖7B是半導(dǎo)體外延層30的分離表面的SEM 像。在藍(lán)寶石基板的分離表面中可以確認(rèn)柱狀結(jié)構(gòu)22的痕跡。從SEM像還可以確認(rèn)多個 空腔和具有微米量級的寬度的柱狀結(jié)構(gòu)均勻分布在面內(nèi)。 具有該結(jié)構(gòu)的空腔包含層20布置在生長基板10和半導(dǎo)體外延層30之間，由此可 以獲得足夠的接合強(qiáng)度，使得在生長基板IO和半導(dǎo)體外延層之間不出現(xiàn)生長基板IO的自 然分離或去除。在另一方面，在生長基板分離步驟中，通過施加外力等而無需使用LLO就可 以容易地分離生長基板IO。因此，不需要引入昂貴的LLO裝置，并且可以顯著減少分離生長 基板所需的時間。由于在用于形成空腔包含層的處理中進(jìn)行GaN的橫向生長，所以可以防 止晶體缺陷傳播到包括發(fā)光層的半導(dǎo)體外延層，可以形成高質(zhì)量的半導(dǎo)體外延層。
參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式描述了本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，可以根據(jù)以 上描述的實(shí)施方式進(jìn)行多種替換和修改。因此，認(rèn)為所附的權(quán)利要求覆蓋全部這些替換和 修改。 本申請基于日本專利申請No. 2008-327478，通過引用在此將其并入。
1權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體器件制造方法，該制造方法包括以下步驟在生長基板上形成由III族氮化物系化合物半導(dǎo)體構(gòu)成并且散布有空腔和柱狀結(jié)構(gòu)的空腔包含層；在所述空腔包含層上形成III族氮化物系化合物半導(dǎo)體外延層；在所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體外延層上接合支承基板；以及以所述空腔包含層和所述生長基板之間的界面用作分離邊界，從所述空腔包含層將所述生長基板與所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體外延層分離。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中，形成所述空腔包含層的步驟包括以下步驟 在所述生長基板上形成由III族氮化物構(gòu)成并且具有柱狀結(jié)構(gòu)的基層；以及 以交替方式重復(fù)進(jìn)行在所述基層上以彼此不同的生長速率生長III族氮化物的第一生長步驟和第二生長步驟的多個循環(huán)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其中，所述第一生長步驟包括如下的處理在比所 述基層的生長溫度更高的生長溫度下，以各自的預(yù)定流速提供V族材料和III族材料，主要 在縱向方向生長所述III族氮化物；并且，所述第二生長步驟包括如下的處理在比所述基 層的生長溫度更高的生長溫度下，以比所述第一生長步驟中的流速更大的流速提供V族材 料和III族材料，主要在橫向方向生長所述III族氮化物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其中，S1/S2的值為0. 5或更大，其中SI是形成所 述基層的步驟中的V族材料與III族材料的提供比，即V/III比，S2是形成所述III族氮 化物系化合物半導(dǎo)體外延層的步驟中的V族材料與III族材料的提供比，即V/III比。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其中，在如下的條件下執(zhí)行形成所述基層的步驟 在比所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體外延層的生長溫度低的溫度下，按使得V/III比是 3000或更高的方式提供V族材料和III族材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中，1\XT2的值在0. 6到2. 5的范圍內(nèi)，其中1\ 是所述空腔包含層的以微米為單位的厚度，T2是所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體外延層 的以微米為單位的厚度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中，分離所述生長基板的步驟是所述生長基板 自然分離的步驟。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中，分離所述生長基板的步驟包括向所述空腔 包含層施加外力的處理。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中，分離所述生長基板的步驟包括在使流體浸 入所述空腔包含層的內(nèi)部之后進(jìn)行加熱的處理。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，該制造方法還包括如下的步驟在分離所述生長 基板的步驟之后，去除由于分離所述生長基板而露出的表面上所附著的金屬Ga。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中，分離所述生長基板的步驟包括對所述空腔 包含層進(jìn)行濕法刻蝕的處理。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的制造方法，其中，在對所述空腔包含層進(jìn)行濕法刻蝕的處 理中，同時去除由于分離所述生長基板而露出的表面上所附著的金屬Ga。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中，形成所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體外 延層的步驟包括形成n型III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層、發(fā)光層、以及p型III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層的步驟。
14. 一種分層結(jié)構(gòu)的制造方法，該制造方法包括如下的步驟在生長基板上形成由III 族氮化物系化合物半導(dǎo)體構(gòu)成并且散布有空腔和柱狀結(jié)構(gòu)的空腔包含層。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的制造方法，其中，形成所述空腔包含層的步驟包括以下步驟按使得V/III比是3000或更高的方式提供V族材料和III族材料，并且在所述生長基板上形成由III族氮化物構(gòu)成并在表面上具有柱狀結(jié)構(gòu)的基層；以及以交替方式重復(fù)進(jìn)行在所述基層上以彼此不同的生長速率生長III族氮化物的第一 生長步驟和第二生長步驟的多個循環(huán)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造方法，其中，所述第一生長步驟包括如下的處理在比所述基層的生長溫度更高的生長溫度下，以各自的預(yù)定流速來提供v族材料和III族材料，主要在縱向方向生長所述III族氮化物；并且所述第二生長步驟包括如下的處理在比所述基層的生長溫度更高的生長溫度下，以 比所述第一生長步驟中的流速更大的流速來提供V族材料和III族材料，主要在橫向方向 生長所述III族氮化物。
17. —種半導(dǎo)體晶片，該半導(dǎo)體晶片包括 生長基板；由形成在所述生長基板上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的空腔包含層，所述空 腔包含層包括散布在該空腔包含層中的空腔和柱狀結(jié)構(gòu)；以及形成在所述空腔包含層上的III族氮化物系化合物半導(dǎo)體外延層。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體晶片，其中，所述空腔包含層包括附著在所述空腔 的內(nèi)壁上的金屬Ga。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體晶片，其中，所述柱狀結(jié)構(gòu)的寬度是IP m以上且 18iim以下。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體晶片，其中，1\XT2的值是0. 6到2. 5，其中1\是所 述空腔包含層的以微米為單位的厚度，T2是所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體外延層的以 微米為單位的厚度。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體晶片，其中，所述III族氮化物系化合物半導(dǎo)體外延 層包括n型III族氮化物系化合物半導(dǎo)體層、發(fā)光層、以及p型III族氮化物系化合物半導(dǎo) 體層。
22. —種分層結(jié)構(gòu)，該分層結(jié)構(gòu)包括 生長基板；以及空腔包含層，該空腔包含層由III族氮化物系化合物半導(dǎo)體構(gòu)成，并且包括散布在該 空腔包含層中的空腔和柱狀結(jié)構(gòu)，所述空腔包含層設(shè)置在所述生長基板上。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的分層結(jié)構(gòu)，其中，所述空腔包含層包括附著在所述空腔的 內(nèi)壁上的金屬Ga。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的分層結(jié)構(gòu)，其中，所述柱狀結(jié)構(gòu)的寬度是lym以上且 18iim以下。
25. —種分層結(jié)構(gòu)，該分層結(jié)構(gòu)包括生長基板、以及層疊在所述生長基板上的III族氮化物層，其中，所述III族氮化物層包括具有多個內(nèi)部空腔的層，所述多個內(nèi)部空腔是通過 如下處理而形成的按使得V/III比是3000或更高的方式提供V族材料和III族材料，在 所述生長基板上形成具有III族氮化物的基層，隨后以交替方式執(zhí)行在所述基層上以彼此 不同的生長速率生長III族氮化物的第一生長步驟和第二生長步驟的多個循環(huán)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的分層結(jié)構(gòu)，其中，具有所述空腔的層具有在該層中散布的 寬度為1 P m以上且18 ii m以下的柱狀結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件以及半導(dǎo)體器件制造方法。通過以交替方式進(jìn)行以彼此不同的生長速率生長III族氮化物的第一和第二生長步驟的多個循環(huán)，在生長基板上形成具有多個空腔的空腔包含層。隨后在空腔包含層上形成半導(dǎo)體外延層，之后將支承基板接合到半導(dǎo)體外延層。將生長基板從空腔包含層分離。
文檔編號H01L21/205GK101764185SQ20091026631
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月24日
發(fā)明者東野二郎, 千野根崇子, 柴田康之, 梁吉鎬 申請人:斯坦雷電氣株式會社